電網(wǎng)故障時雙饋風力發(fā)電機無功電流分配及控制策略

高 陽

(天津國投津能發(fā)電有限公司，天津 300480)

電網(wǎng)故障時雙饋風力發(fā)電機無功電流分配及控制策略

高 陽

(天津國投津能發(fā)電有限公司，天津 300480)

為滿足風電機組低電壓穿越的要求，提出向電網(wǎng)注入無功電流的故障穿越控制策略。利用雙饋風力發(fā)電機等效電路圖推導定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)無功電流極限，得出定子側(cè)無功電流發(fā)生能力優(yōu)于網(wǎng)側(cè)。根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落程度對無功電流極限的影響，提出電網(wǎng)故障時無功電流的分配原則，在保證無功調(diào)節(jié)不越限的基礎上提高系統(tǒng)的無功處理能力。不同于常規(guī)研究中只給出無功極限的理論推導，還對電網(wǎng)電壓跌落不同程度時無功電流極限進行仿真分析，結(jié)果表明所提無功電流分配及控制策略的有效性，在為系統(tǒng)提供無功支撐的同時提升并網(wǎng)點電壓，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性的恢復，完成低電壓穿越。

無功電流； 電流極限； 分配原則； 低電壓穿越

0 引言

風能作為一種清潔、無污染的綠色能源，受到世界各國的廣泛關(guān)注。我國2016年新增風電裝機容量為2 337萬kW，累計裝機容量達1.69億kW[1]?？稍偕茉窗l(fā)展“十三五”規(guī)劃要求，到2020年，風電裝機規(guī)模達到2.1億kW以上，風電裝備技術(shù)創(chuàng)新能力達到國際先進水平[2]。隨著并網(wǎng)風力發(fā)電規(guī)模的不斷擴大，風力發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行對系統(tǒng)的影響已不容忽視。雙饋感應風力發(fā)電機(Double-Fed Induction Generation，DFIG)以其風能轉(zhuǎn)換率高、有功無功解耦控制等諸多優(yōu)點，逐漸取代恒速恒頻風力發(fā)電機，成為風電市場的主流機型[3]。DFIG定子側(cè)直接并網(wǎng)，使其對電壓故障尤為敏感。電網(wǎng)電壓驟降引起定子側(cè)過電流，由于定、轉(zhuǎn)子磁鏈的相互耦合，轉(zhuǎn)子側(cè)也會出現(xiàn)過電壓和過電流現(xiàn)象，損壞變頻器和電機本身[4-6]。此外，故障期間輸出功率和負荷功率的嚴重不平衡甚至可能導致電網(wǎng)崩潰。因此，各國的風電并網(wǎng)導則要求雙饋風力發(fā)電機應具備一定的故障穿越能力。

電網(wǎng)電壓跌落時，不僅要求風電機組能夠并網(wǎng)運行一段時間，而且在故障期間能夠?qū)﹄娋W(wǎng)有一定的動態(tài)無功支撐能力，在電網(wǎng)故障切除后，風電機組可以迅速恢復至正常的工作狀態(tài)[7-8]。電網(wǎng)電壓跌落故障嚴重威脅雙饋風機和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，因此，研究DFIG的無功控制策略，利用雙饋機組自身的無功調(diào)節(jié)能力，對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有非常重要的意義。

文獻[9]對雙饋風力發(fā)電機的無功功率機制及特性進行研究，但其著重討論了轉(zhuǎn)差率和定子無功對轉(zhuǎn)子無功的影響；文獻[10]總結(jié)了DFIG固有無功調(diào)節(jié)容量，簡述了功角特性、靜態(tài)穩(wěn)定、電網(wǎng)導則對雙饋風電機組無功調(diào)節(jié)容量的約束；文獻[11]推導雙饋風力發(fā)電機組在不同風速下的無功調(diào)節(jié)能力，建立了面向并網(wǎng)點電壓要求的風電機組無功功率控制策略；文獻[12]分析了雙饋風機的無功極限，定子側(cè)輸出無功功率對電機損耗的影響，提出2種無功功率參考值的確定方法。文獻[13]根據(jù)無功調(diào)節(jié)能力提出無功控制策略，可通過減小有功出力來擴大雙饋風力發(fā)電機的無功范圍。但以上文獻均未涉及電網(wǎng)電壓跌落不同程度時無功電流極限的相關(guān)問題。文獻[14]為充分利用風電場自身的無功調(diào)節(jié)能力，根據(jù)有功出力指令確定風電場發(fā)出的無功極限；文獻[15]優(yōu)先利用網(wǎng)側(cè)換流器輸出無功功率，不同于本文優(yōu)先利用轉(zhuǎn)子側(cè)換流器輸出無功功率。

DFIG在電網(wǎng)故障時運行于單位功率因素狀態(tài)沒有充分利用機組自身的無功調(diào)節(jié)能力，本文提出一種電網(wǎng)故障時無功電流的分配及控制策略。根據(jù)雙饋風機的等效電路圖得出定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)無功電流極限表達式，其無功電流極限除與雙饋風機本身的參數(shù)有關(guān)外，還與電壓跌落程度和定子發(fā)出有功功率的大小有關(guān)。推導出定子側(cè)無功電流發(fā)生能力優(yōu)于網(wǎng)側(cè)換流器。給出在電網(wǎng)故障時無功電流的分配原則，優(yōu)先考慮利用轉(zhuǎn)子側(cè)換流器通過定子為電網(wǎng)提供無功電流；在超過其無功功率極限時，讓網(wǎng)側(cè)換流器工作于非單位功率因素模式下，提高系統(tǒng)的無功處理能力，緩解定子側(cè)的壓力，使無功調(diào)節(jié)不越限。不同于常規(guī)研究中只給出無功極限的理論推導，還對電網(wǎng)電壓跌落不同程度時的無功電流極限進行了仿真分析，仿真結(jié)果驗證了所提無功電流的分配及控制策略的有效性。

1 無功電流極限分析

1.1 定子輸出無功電流極限

雙饋風力發(fā)電機定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)都采用電動機慣例，且將轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)折算到定子側(cè)，在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的T型等效電路如圖1所示。

圖1 雙饋風力發(fā)電機等效T型電路圖

根據(jù)等效電路圖可得電壓、磁鏈、定子側(cè)功率為：

(1)

(2)

(3)

式中：Us、Ur為定、轉(zhuǎn)子電壓矢量，Us=usd+jusq、Ur=urd+jurq；Is、Ir為定、轉(zhuǎn)子電流矢量，Is=isd+jisq，Ir=ird+jirq；ψs、ψr為定、轉(zhuǎn)子磁鏈矢量，ψs=ψsd+jψsq，ψr=ψrd+jψrq；R為電阻；L為電感；Lm為定轉(zhuǎn)子間互感；ω1為同步旋轉(zhuǎn)角速度；ωs為轉(zhuǎn)差角速度。

Us=jω1ψs

(4)

將式(4)代入式(2)可得定、轉(zhuǎn)子電流關(guān)系為：

(5)

據(jù)此得出轉(zhuǎn)子dq軸電流分量與定子側(cè)有功功率和無功功率的表達式為：

(6)

(7)

當轉(zhuǎn)子電流取其最大幅值Ir_max時，由式(7)可知轉(zhuǎn)子側(cè)輸出最大無功電流極限為：

(8)

可以看出，轉(zhuǎn)子側(cè)輸出最大無功電流除與雙饋風力發(fā)電機本身的參數(shù)即定子電感、定轉(zhuǎn)子間的互感、轉(zhuǎn)子側(cè)換流器允許最大電流值有關(guān)外，還與電網(wǎng)電壓跌落程度和定子輸出有功功率相關(guān)。轉(zhuǎn)子側(cè)最大電流隨有功功率輸出的增加而減小，這是因為當有功功率增加時，轉(zhuǎn)子電流的有功分量增加，此時用于勵磁的無功分量減小，從而DFIG的無功輸出能力變小。

1.2 網(wǎng)側(cè)輸出無功電流極限

通常情況下網(wǎng)側(cè)換流器運行在單位功率因數(shù)下，即igq=0，此時不發(fā)出無功功率，主要用于維持直流母線電壓的穩(wěn)定。網(wǎng)側(cè)換流器是一個電壓型PWM整流器，可以實現(xiàn)四象限運行。當系統(tǒng)需要無功功率時，可以考慮由網(wǎng)側(cè)換流器在其功率允許情況下提供無功支持。忽略各種損耗(線路損耗、開關(guān)損耗等)后，當網(wǎng)側(cè)換流器和轉(zhuǎn)子側(cè)換流器有功功率相平衡時，Pg=Pr=-sPs，此時，網(wǎng)側(cè)換流器瞬時有功功率和無功功率分別為：

(9)

在網(wǎng)側(cè)換流器電流取其最大幅值Ig_max時，得到其輸出最大無功電流的極限：

(10)

網(wǎng)側(cè)換流器輸出最大無功電流與轉(zhuǎn)差率、網(wǎng)側(cè)換流器允許最大電流值有關(guān)外，還與電網(wǎng)電壓跌落程度和定子輸出有功功率相關(guān)，隨有功功率輸出的增加而減小，并且隨電網(wǎng)電壓跌落程度的增大而增加。因此同時考慮定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)換流器無功電流輸出能力時，雙饋風力發(fā)電機組的無功電流最大調(diào)控能力為：

Iq_max=igq_max+isq_max

(11)

在雙饋風機參數(shù)一定，取轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的電流最大值為額定轉(zhuǎn)子電流的120%，網(wǎng)側(cè)換流器電流最大值也取為額定轉(zhuǎn)子電流的120%來設計，根據(jù)式(8)、式(10)可得DFIG的無功電流調(diào)節(jié)能力，在風速一定的情況下即有功輸出一定時，若取轉(zhuǎn)差率為-0.2，當電網(wǎng)電壓跌落為額定值的20%時，此時定子側(cè)輸出最大無功電流為0.98 p.u.，網(wǎng)側(cè)輸出最大無功電流為0.2 p.u.，僅占總無功電流的17%；而定子側(cè)輸出無功電流占83%。由此可以看出，定子側(cè)無功電流輸出能力遠大于網(wǎng)側(cè)換流器無功輸出能力。

2 無功電流分配及控制

目前，雙饋異步風力發(fā)電機大多運行在最大風能捕獲狀態(tài)，其有功功率不能任意調(diào)節(jié)，為了充分挖掘其無功補償能力，DFIG定子繞組和網(wǎng)側(cè)換流器均具有一定的無功電流輸出能力，通過對轉(zhuǎn)子側(cè)換流器和網(wǎng)側(cè)換流器的控制以及二者之間的協(xié)調(diào)配合實現(xiàn)系統(tǒng)的無功需求。

由上一節(jié)的分析可以看出，定子側(cè)輸出無功電流極限要遠大于網(wǎng)側(cè)輸出無功電流極限。因此在電網(wǎng)故障期間，定子側(cè)向電網(wǎng)提供無功電流的能力要優(yōu)于網(wǎng)側(cè)換流器。所以，提出優(yōu)先利用轉(zhuǎn)子側(cè)的無功電流控制來實現(xiàn)定子側(cè)向電網(wǎng)注入無功電流，提升并網(wǎng)點電壓。當電網(wǎng)所需的無功電流未超出定子側(cè)輸出無功電流極限時，利用定子側(cè)換流器向電網(wǎng)提供無功電流；當電網(wǎng)所需的無功電流超出定子側(cè)輸出無功電流極限時，利用網(wǎng)側(cè)和定子側(cè)換流器共同向電網(wǎng)提供無功電流。此時，采取最大無功電流發(fā)生能力的比值進行無功電流分配，轉(zhuǎn)子側(cè)換流器和網(wǎng)側(cè)換流器的無功指令為：

(12)

式中：itotal為總的無功電流需求；itotal_lim為總的無功電流極限，itotal_lim=isq_max+igq_max，isq_max、igq_max為定子和網(wǎng)側(cè)最大輸出無功電流。此時轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)換流器的控制策略如圖2和圖3所示。其中，1均為電網(wǎng)電壓正常時的控制方式；2為電網(wǎng)電壓跌落時的控制方式。

在此種調(diào)節(jié)模式下，可以充分利用轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)換流器的無功調(diào)節(jié)能力，緩解定子側(cè)無功調(diào)節(jié)的壓力。

圖2 雙饋風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)換流器控制框圖

圖3 雙饋風力發(fā)電機網(wǎng)側(cè)換流器控制框圖

3 仿真驗證及結(jié)果分析

在MATLAB/SIMULINK仿真平臺上搭建如圖4所示的仿真系統(tǒng)圖，雙饋風電場經(jīng)升壓變壓器將電壓等級提升至25 kV，經(jīng)過30 km的傳輸線路后經(jīng)變壓器接入120 kV大電網(wǎng)中。

圖4 雙饋風電場仿真系統(tǒng)圖

風電場由6臺相同型號的雙饋感應發(fā)電機組成9 MW的仿真平臺，DFIG的仿真參數(shù)：額定功率為1.5 MW，額定頻率為50 Hz，極對數(shù)為3，定子額定線電壓為575 V，直流母線額定電壓為1 200 V，定子電阻為0.010 8 p.u.，轉(zhuǎn)子電阻為0.0102 p.u.，定子漏感為0.102 p.u.，轉(zhuǎn)子漏感為0.11 p.u.，定轉(zhuǎn)子間的互感為3.362 p.u.，風速恒為11 m/s。

3.1 電壓跌落40%仿真分析

電網(wǎng)電壓在1.5 s時跌落到額定值的40%，故障持續(xù)300 ms，1.8 s時電網(wǎng)電壓恢復正常。圖5給出了轉(zhuǎn)子電流、直流母線電壓、并網(wǎng)點電壓、定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)輸出無功電流及其無功電流極限、無功功率的動態(tài)響應波形。

圖5 電壓跌落40%雙饋風機瞬態(tài)響應

可以看出，在電壓跌落為額定值的40%時，定子無功電流沒有超出無功電流極限，僅利用定子側(cè)輸出無功電流就可以滿足總無功電流的需求，此時不需要網(wǎng)側(cè)提供無功電流。并網(wǎng)點電壓較傳統(tǒng)控制策略有所提升，轉(zhuǎn)子電流在安全限值2 p.u.以內(nèi)，直流母線電壓也在1.2 p.u.以內(nèi)，沒有發(fā)生轉(zhuǎn)子側(cè)過電流和直流母線過電壓現(xiàn)象，滿足低電壓穿越的要求，且與理論分析相一致，驗證了所提控制策略的有效性。

3.2 電壓跌落80%仿真分析

電網(wǎng)電壓在1.5 s時跌落至額定值的20%，故障共持續(xù)300 ms，1.8 s時電網(wǎng)電壓恢復正常。圖6給出了若只利用定子側(cè)提供無功電流時定子側(cè)無功電流極限波形。

圖6 定子無功電流及無功電流極限

可以看出，此時定子側(cè)需要提供的總無功電流超出其無功電流極限，所以在電網(wǎng)電壓跌落到額定值的20%時，需要由定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)共同為系統(tǒng)提供所需的無功電流。

圖7給出了在采用本文所提的無功電流分配策略下轉(zhuǎn)子電流、直流母線電壓、并網(wǎng)點電壓、定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)輸出無功電流及其無功電流極限、無功功率的動態(tài)響應波形?？梢钥闯?，在電壓跌落為額定值的20%時，定子側(cè)所提供的無功電流超過0.8 p.u.；而網(wǎng)側(cè)提供的無功電流在0.1 p.u.左右，證明了定子側(cè)無功電流的發(fā)生能力優(yōu)于網(wǎng)側(cè)變流器。并網(wǎng)點電壓有所提高，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。轉(zhuǎn)子電流和直流母線電壓也限制在安全限值以內(nèi)，并沒有發(fā)生轉(zhuǎn)子過電流和直流母線過電壓現(xiàn)象，滿足低電壓穿越的要求。

圖7 電壓跌落800%雙饋風機瞬態(tài)響應

4 結(jié)論

本文提出的電網(wǎng)故障時無功電流的分配及控制策略，根據(jù)定子側(cè)無功電流發(fā)生能力優(yōu)于網(wǎng)側(cè)，在電網(wǎng)故障時優(yōu)先考慮利用轉(zhuǎn)子側(cè)換流器通過定子為電網(wǎng)提供無功電流；在超過其無功功率極限時，讓網(wǎng)側(cè)換流器工作于非單位功率因素模式下，提高系統(tǒng)的無功輸出能力，此時由定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)共同為系統(tǒng)提供無功電流，緩解定子側(cè)的壓力，使無功調(diào)節(jié)不越限。不同電網(wǎng)電壓跌落程度時無功電流極限的仿真結(jié)果表明，所提出的無功電流分配及控制策略的有效性，在為系統(tǒng)提供無功支撐的同時提升并網(wǎng)點電壓，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性的恢復，改善機組的瞬態(tài)響應，完成低電壓穿越運行。

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Reactive Current Distribution and Control Strategy of Doubly-fed Induction Generator in Grid Fault

GAO Yang

(Tianjin SDIC Tianjin Power Generation Co. Ltd., Tianjin 300480, China)

In order to meet the requirements of low voltage ride through of wind turbines, a control strategy is proposed to inject the reactive current into the grid. Using the equivalent circuit of doubly fed wind generator, the reactive current limit of the stator and the grid sides are deduced, and the ability of reactive current generation on stator side is better than that on the grid side. According to the influence of the degree of voltage drop on the reactive current limit, the distribution principle of reactive current is then put forward. On ensuring not to limit the reactive power regulation, the reactive power of the system is improved. Differing from the theoretical derivation of the reactive power limit in the conventional research, we also analyze the reactive current limit at different levels of the grid voltage drop. The results verify the effectiveness of the proposed reactive current allocation and control strategy, which boosts the voltage while providing reactive support for the system. And meanwhile, the proposed strategy is conducive to the restoration of system stability as well as completing the low voltage ride through.

reactive current; current limit; distribution principle; low voltage ride through

2017-07-24。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.12.005

TM614

A

1672-0792(2017)12-0028-06

高陽(1993-)，男，助理工程師，主要研究方向為發(fā)電運行。